CN104407190B - 一种全数字化的随机采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明全数字化的随机采样方法，针对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号，利用在待采集信号单调变化波形区域的触发点前后分别采样到的一个采样数据d_n、d_n+1，然后根据采样数据d_n、d_n+1进行曲线拟合，拟合曲线与触发电平A_T相互交叉点Tr，并且计算出交叉点Tr与其后的第一个采样数据即采样数据d_n+1之间的时间距离t_L，然后根据各次采集的时间距离t_Li进行波形重建，这样，去除了传统等效采集系统中的模拟触发与时间间隔测量电路，简化数据采集系统的电路设计，减小了硬件的复杂度，同时，实现对待采集信号的高采样率采样，得到更多的波形细节。

Description

一种全数字化的随机采样方法

技术领域

本发明属于数据采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种全数字化的随机采样方法。

背景技术

数据采集技术已广泛地应用于电子测量、通信、雷达、航空航天、工业等各个领域。随着科技和工程应用的发展，各个应用系统的复杂度越来越大，同时待采集信号的频率也越来越高，这就要求数据采集系统的采样率越来越高。但受限于模数转换器的性能，数据采集系统的实时采样频率很难获得极大提高以获取足够多的待采集信号的波形信息，这将丢失部分待采集信号的信息而导致恢复出的信号波形与原信号的相比存在失真现象。对此通常可以采用随机采样方法以多次取样的方式来获取超高采样频率的周期性信号的波形信息。

随机采样是一种等效采样方法，属于非实时采样。它是利用采样时刻相对于待采集信号与触发事件的随机性对多次采样后的数据进行拼合处理以获得高采样率的方法。在实现方式上，随机采样是利用了触发时刻与其到来之后的第一个采样时刻之间时间间隔的随机性，通过高精度时间间隔测量来获取各个触发时刻与其到来之后的第一个采样时刻之间时间间隔，然后在终端屏幕上，根据各时间间隔来重建出更高采样率的原始信号波形，其具体的波形采集、存储与重建过程的原理如图1所示。

如图1所示，随机采样方法通过多次(假定为N次)以T_s为周期的采样时钟(即模数转换器的取样周期)对待采集信号进行波形采样，获得多组采样数据d_ij,其中，i为采样次数标号，j为每次采样数据的标号，并分次存储。同时根据第i次采样的触发时刻Tr_i与其到来之后的第一个采样时刻之间时间间隔t_i的测量值来重建存储，然后重建波形，构建出原始的待采集信号波形。

若该测量值的分辨率为T_S/M，则重建波形的等效采样率为原取样频率的M倍，即M/T_S。这最终使得整个数据采集系统具有了与ADC采样率高得多的等效采样率，且该采样率与ADC器件本身的采样率无关，只与时间间隔t_i测量的精度有关，精度越高，等效采样率越高。

图2是传统随机采样系统的原理框图。

传统的随机采样方式是以模拟电路和逻辑器件为基础来实现的，传统随机采样系统的原理框图如图2所示，主要包括：信号调理电路、模拟触发通道、模数转换器(ADC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、采样时钟产生模块和时间间隔测量模块等。

待采集信号经过信号调理电路送给ADC进行采集量化，将采样数据SDATA及其同步时钟(DCLK)送给FPGA处理；同时模拟触发通道根据设定的触发条件向FPGA发送触发事件信号。FPGA在每次信号采集开始时接收并开启写使能wen来存储一段预触发深度的采样数据至FIFO(先进先出存储器)中，然后始终保持预触发深度的数据量(同时开启FIFO的写使能和读使能ren)且等待触发信号的到来。当模拟触发通道根据触发条件(如上升沿或下降沿)的设置发送有效触发信号至FPGA时，FPGA关闭FIFO的读使能ren直至FIFO存满存储深度要求的数据量，同时对如图1所示的触发时刻与其后第一个采样时刻之间的时间间隔t_i形成待测脉冲，并发送至时间间隔测量模块进行测量。在一次采集完成后关闭写使能，并根据时间间隔t_i测量值大小计算出这组数据存储到重建波形的存储空间中相应的位置以供显示时绘制波形使用。如此重复进行多次采集与时间间隔测量过程，然后把所有的采样数据根据时间间隔测量结果进行相应的排列就可以完成整个数据系统的波形重建。其中采样时钟与待采集信号在频率上是不相关的，所以时间间隔测量模块所得的测量值就具有随机性，于是存储器中的采样数据经过一定时间后可以覆盖全部位置，最后在显示时可以重建完整的原始待采集信号，如图1中下端波形。以上这些过程都是由DSP作为中心控制器来控制的。

上述等效采样方式能够解决采集较高频率信号时不满足奈奎斯特采样率的问题，但是硬件电路过于复杂。对于待采集信号频率相对于采样时钟频率不是很高，但需要对待采集信号进行更为精确地采样，以观察待采集信号的波形细节的情况时，现有的上述等效采样方式就没有必要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有等效采样方法的不足，提供一种全数字化的随机采样方法，以减小硬件的复杂度，实现对待采集信号的高采样率获取，得到更多的波形细节。

为实现以上目的，本发明全数字化的随机采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、随机采集存储

数据采集系统的ADC对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号进行采样，并且能够在单调变化波形区域的触发点前后分别采样到一个采样数据；

数据采集系统的中心控制器随机地发出数据采集开始命令，开启FIFO(先进先出存储器)的写使能(wen)来存储来自ADC的采样数据；

当FIFO里的采样数据存储至数据采集系统设定的预触发深度L_p时，开启FIFO的读使能(ren)，以保持L_p长度的采集数据量在FIFO中，同时实时检测采样数据是否满足触发条件；当检测到有效的触发信号后，则关闭FIFO的读使能，然后存储满足单次存储深度L_s要求后，再关闭FIFO的写使能，此时，FIFO里的采样数据范围为其中1≤L_p≤L_s，触发点位于采样数据d_n与d_n+1之间区域，其中，n为触发点前采样数据位置，n+1为触发点后采样数据位置；

(2)、曲线拟合与触发重定位

根据采样数据d_n、d_n+1进行曲线拟合，得到采样数据d_n、d_n+1之间的拟合曲线与触发电平A_T相互交叉点Tr，并且计算出交叉点Tr_L与其后的第一个采样数据(即采样数据d_n+1)之间的时间距离t_L；

(3)、波形重建

根据步骤(1)、(2)，得到每次采集存储、曲线拟合与触发重定位后获取的时间距离t_Li，其中i为采集序列号，i∈N，N为等效采样采集次数，并按照从小到大的顺序，依次将各次采集得到的各组采样数据d_ij交错重组并存储(即重建存储)，然后重建波形，构建出原始的待采集信号波形，其中，i为采样次数标号，j为每次采样数据的标号。

本发明的目的是这样实现的。

本发明全数字化的随机采样方法，针对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号，利用在待采集信号单调变化波形区域触发点前后分别采样到的一个采样数据d_n、d_n+1，然后根据采样数据d_n、d_n+1进行曲线拟合，拟合曲线与触发电平AT相互交叉点Tr，并且计算出交叉点Tr与其后的第一个采样数据即采样数据d_n+1之间的时间距离t_L，然后根据各次采集的时间距离t_Li进行波形重建。这样，去除了传统等效采集系统中的模拟触发与时间间隔测量电路，简化数据采集系统的电路设计，减小了硬件的复杂度，同时，实现对待采集信号的高采样率获取，得到更多的波形细节。

附图说明

图1是传统随机采样方法的波形采集、存储与重建原理图；

图2是传统随机采样系统的原理框图；

图3是采用本发明全数字化的随机采样方法的数据采集系统一种具体实施方式原理框图；

图4数字触发与数据存储控制的原理图；

图5是基于线性拟合的触发重定位原理图；

图6是基于正弦拟合的触发重定位原理图；

图7是本发明全数字化的随机采样方法数据处理过程(正弦波)的原理图；

图8是本发明全数字化的随机采样方法数据处理过程(方波)的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

随机采样是一种能有效提升等效采样率来获取更多周期性信号波形信息的技术，它根据采样时钟与待测信号间的不相关特性而采用以较低采样率来多次获取波形数据，然后根据这些采样数据间的顺序关系来重建恢复出更高(等效)采样率的待采集信号波形。

本发明全数字化的随机采样方法是在传统模拟随机采样技术基础上去除了较为复杂的模拟触发电路与时间间隔测量电路两部分，而采用数字信号处理(随机采集存储、曲线拟合和触发重定位)的方法来确定采样数据间的顺序关系来进行波形重建，构建出原始的待采集信号波形。

图3是采用本发明全数字化的随机采样方法的数据采集系统一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图3所示。待采集信号经模拟的信号调理电路后直接送至模数转换器(ADC)进行采集量化，ADC将采样数据SDATA送给FPGA与DSP进行存储与数字化处理。其中数字化处理过程包括随机采集存储、曲线拟合与触发重定位、波形重建等步骤，可以运行在FPGA或DSP中。相比于图1所示的数据采集系统，本发明中移除了模拟触发通道和在数据获取时的时间间隔测量模块，但在数据采集存储前增加了数字触发控制模块以提供有效触发信号，同时在数据存储后增加了曲线拟合与触发重定位模块来寻找采样数据间重建的顺序关系，以最终完成高采样率的波形重建功能。

本发明全数字化的随机采样方法包括以下步骤：随机采集存储、曲线拟合与触发重定位、波形重建等过程。

1.随机采集存储

随机采集存储过程包括数字触发控制与数据存储两个部分，数字触发控制为数据存储提供了重要的依据，其原理如图4所示。

数据采集系统的中心控制器，在本实施例中为DSP随机地发出数据采集开始命令，开启在FPGA内部FIFO(先进先出存储器)的写使能(wen)来存储来自ADC的采样数据。

当FIFO里的采样数据存储至数据采集系统设定的单次预触发深度L_p时，开启FIFO的读使能(ren)以保持L_p长度的采集数据量在FIFO中，同时数字触发控制模块实时检测采样数据是否满足触发条件。例如，设置触发电平为A_T，当触发条件设定为下降沿，则采样数据d_n、d_n+1满足触发条件的判断依据为：

d_n≥A_T，且d_n+1<A_T, (1)；

同理，若触发条件设定为上升沿，则采样数据d_n、d_n+1满足触发条件的判断依据为：

d_n≤A_T，且d_n+1>A_T, (2)。

在数字触发控制模块检测到有效的触发信号后，数据采集系统则关闭FIFO的读使能ren，然后存储满足单次存储深度L_s要求后，再关闭FIFO的写使能wen。此时，FIFO里的采样数据范围为其中1≤L_p≤L_s。在图4中表示出了触发条件为下降沿的情况，于是数字触发控制模块对采样数据进行查找分析后可得d₃与d₄之间区域为触发位置，此时，n＝3，d₃为触发点前采样数据，d₄为触发点后采样数据，且FIFO里的数据范围可表示为

经过以上随机采集存储的过程，所存储的采样数据不仅满足了随机采样的存储深度的要求，而且获得了采样数据中触发点的初步位置，为后端的数据处理提供了可靠的保障。

2.曲线拟合与触发重定位

触发位置初步确认后，把每次获取的采样数据作曲线拟合以尽可能准确(接近)地还原出待测信号波形，然后触发重定位来寻找出更精确的触发位置，为重建出更高等效采样率的待测信号波形提供准确的依据。

曲线拟合的方式可根据待测波形的特征来具体设定，常用的方法有线性拟合和正弦拟合。在图4的触发位置初步确认的基础上，通过曲线拟合进一步精确分析触发点在采样数据中的具体位置，如图5和图6所示。

图5表示出了基于线性拟合的触发重定位原理。在采样数据d₃与d₄之间作直线连接，可以得到该线段与触发电平A_T相互交叉的点Tr_L，并且计算交叉点与其后的第一个采样数据d₄之间的距离t_L为：

$t_L=\frac{A_T-d_4}{d_3-d_4}\&CenterDot;T_s,---\left(3\right)$

其中T_s为ADC采样周期。

图6表示出了基于正弦拟合的采样数据中触发点重定位原理。正弦信号模型函数为其中a_x、T_x、A_x以及y分别为待采集波形的幅度、周期、初始相位、直流偏置以及时刻t的值，根据该正弦信号模型函数，可得方程组

其中，d_j为第j个采样数据，t_j为第j个采样对应的时刻，就形成了四参数正弦拟合的问题。由四参数正弦拟合的参数估计方法可以得到这四个参数的估计值和于是正弦拟合后的待测波形表达式为

此时与触发电平A_T相互交叉的点Tr的时间点为且该交叉点与其后的第一个采样数据d₄之间的距离t_L为

$t_L=3T_s-t_T=3T_s-\frac{{\hat{T}}_x}{2\mathrm{\&pi;}}\arcsin [(A_T-{\hat{A}}_x)/{\hat{a}}_x].---\left(6\right)$

以上分析出了线性与正弦拟合的两种寻找精确触发点的重定位方法，但实际工程应用中并不局限于这两种方法，可以根据不同的待采集信号特征采用不同的数据拟合模型，以获得更为精确的触发点在时间上的分辨率，因为针对不同的待采集信号特征具有不同的更为精确的数据拟合模型。

3.波形重建

根据每次采样数据的曲线拟合与触发重定位后所获取精确的触发点信息即时间距离t_Li，来重建更高(等效)采样率的待采集信号波形。

设重建的待采集信号波形所要达到的等效采样率f_e为采样频率f_s的倍数为M，则在重建待采集信号波形时的时间分辨率(简称重建时间分辨率)为Δt＝T_s/M，同时由数字触发所确认了的触发区间就划分成为了M个子区间[Δt·(k-1),Δt·k)，k＝1,2,...,M。根据触发精确定位的时间距离t_Li，寻找每次采样数据在波形重建时所摆放的存储位置顺序ki值，即满足

t_Li∈[T_s·(k_i-1)/M,T_s·k_i/M)。 (7)

例如，第i次数据采集经触发精确定位后获得时间距离为t_Li，，若该值满足式(7)的存储位置为k_i，则该组数据在最终波形重建的存储器中存储的序列地址分别为该重建存储过程如图7所示，其中k_i＝2，即存储器连续M个地址为一组，该次采集的采样数据依次存储的每一组的第2个地址上。依次类推，这样就实现了按照时间距离t_Li从小到大的顺序，依次将各次采集得到的各组采样数据d_ij交错重组并存储即重建存储。重建存储属于现有技术，在此不再赘述。

以上四个步骤就是单次数据采集后对采样数据进行数据处理的过程。然后按照该处理方法对多次采集后的采样数据进行相应的处理，最终就可以在显示的屏幕上重建出更高(等效)采样率的待测信号波形。

同理，若对方波进行数字化的随机采样，其过程如图8所示。该方法可极大地提高信号的采样率，重建出了更为准确的待采集波形信息。

通过以上分析可以发现，本发明全数字化的随机采样方法的关键在于对采样数据进行触发重定位的精度，其实现过程的关键在于对采样数据进行曲线拟合的精确程度。而曲线拟合和触发重定位的精度则与采样时钟边沿的抖动情况有着密切的关系。因此，为了获得更高的等效采样率，系统必须采用低抖动的采样时钟以提供更为精确采样时刻的采样数据。

在本实施例中，以线性拟合与正弦拟合两种常用的处理方法来作为采样数据触发点精确重定位的例子，对数据采集系统提高在触发点附近波形呈单调变化的待测信号的等效采样有着显著的效果。而对于其他复杂待采集信号的随机采样来说，可以根据待采集信号的特征来选择更为精确的拟合方法(如模糊匹配、神经网络等)来提高拟合精度进而提高触发点定位的精度，最终实现更精确更高采样率的随机采样的目的。

总结

本发明的创新之处在于：它克服了传统随机采样方法对硬件电路性能要求高、结构复杂等问题，而是通过全数字处理的方式实现了随机采样功能，同时提出了触发点精确重定位的采样数据拟合方法的有效途径。该方法目前虽然仅适用于在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号，但为随机采样的全数字化技术开拓了新的研究方向，也为采样数据的后处理技术提供了一条信号特征提取的新途径。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种全数字化的随机采样方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、随机采集存储

数据采集系统的ADC对在触发点附近波形呈单调变化的待采集信号进行采样，并且能够在单调变化波形区域的触发点前后分别采样到一个采样数据；

数据采集系统的中心控制器随机地发出数据采集开始命令，开启FIFO即先进先出存储器的写使能来存储来自ADC的采样数据；

当FIFO里的采样数据存储至数据采集系统设定的预触发深度L_p时，开启FIFO的读使能，以保持L_p长度的采集数据量在FIFO中，同时实时检测采样数据是否满足触发条件；当检测到有效的触发信号后，则关闭FIFO的读使能，然后存储满足单次存储深度L_s要求后，再关闭FIFO的写使能，此时，FIFO里的采样数据范围为其中1≤L_p≤L_s，触发点位于采样数据d_n与d_n+1之间区域，其中，n为触发点前采样数据位置，n+1为触发点后采样数据位置；

(2)、曲线拟合与触发重定位

根据采样数据d_n、d_n+1进行曲线拟合，得到采样数据d_n、d_n+1之间的拟合曲线与触发电平A_T相互交叉点Tr_L，并且计算出交叉点Tr_L与其后的第一个采样数据即采样数据d_n+1之间的时间距离t_L；

(3)、波形重建

根据步骤(1)、(2)，得到每次采集存储、曲线拟合与触发重定位后获取的时间距离t_Li，其中i∈N，N为等效采样采集次数，并按照从小到大的顺序，依次将各次采集得到的各组采样数据d_ij交错重组并存储即重建存储，然后重建波形，构建出原始的待采集信号波形，其中，i为采样次数标号，j为每次采样数据的标号。

2.根据权利要求1所述的全数字化的随机采样方法，其特征在于，所述实时检测采样数据是否满足触发条件为：

设置触发电平为A_T，当触发条件设定为下降沿，则采样数据d_n、d_n+1满足触发条件的判断依据为：

d_n≥A_T，且d_n+1＜A_T (1)；

同理，若触发条件设定为上升沿，则采样数据d_n、d_n+1满足触发条件的判断依据为：

d_n≤A_T，且d_n+1＞A_T (2)。

3.根据权利要求1所述的全数字化的随机采样方法，其特征在于，所述的曲线拟合为线性拟合或正弦拟合。